اللحام بالليزر في السيارات: قيادة مستقبل التجميع

تتميز تقنية اللحام بالليزر بكفاءتها ومرونتها العالية في العملية. في عملية تصنيع السيارات، يمكن استخدامها في لحام هياكل السيارات ومختلف مكونات السيارات، مما يقلل من الوزن الإجمالي لهيكل السيارة، ويحسن دقة تجميع الهيكل، ويلبي متطلبات الوزن الخفيف والأداء المعزز للسلامة في تصنيع السيارات.

كما أنه يساعد في تقليل تكاليف التجميع والختم في تصنيع السيارات، وبالتالي تحسين تكامل هيكل السيارة.

لذلك، كيف تطبق بنشاط وفعالية اللحام بالليزر أصبحت تقنية اللحام بالليزر من الأمور التي يهتم بها مصنعو السيارات الحاليون. ستناقش هذه المقالة تطبيق تقنية اللحام بالليزر بالتفصيل.

1. نظرة عامة على تقنية اللحام بالليزر

1.1 مبدأ تكنولوجيا اللحام بالليزر

يستخدم اللحام بالليزر، وهو في الأساس تقنية لحام بالاندماج، شعاع الليزر كمصدر أساسي للطاقة. ومن خلال قوة تأثير معينة، يكمل لحام قطع العمل.

يتم توليد شعاع الليزر من خلال مذبذب ضوئي. عندما يعمل شعاع الليزر عالي الطاقة على سطح المعدن، يمكنه تبخير المعدن بسرعة. وعندما يغلف سائل المعدن المنصهر الثقب المتبخر، يتشكل خط لحام تحت تفاعل الإجهاد وطريقة التسخين والتبريد، مما يؤدي في النهاية إلى استكمال لحام المعدن.

من المهم أن نلاحظ أن شعاع الليزر له كثافات مختلفة عند قوى مختلفة، مما يؤثر على عمق خط اللحام. فكلما زادت كثافة شعاع الليزر، يزداد عمق الانصهار، مما يؤدي إلى زيادة عمق اللحام. وعلى العكس من ذلك، فإنه يقلل من عمق الانصهار، مما يجعله أكثر ضحالة.

1.2 مزايا وعيوب تقنية اللحام بالليزر

وتلعب مزايا تقنية اللحام بالليزر دوراً هاماً في تصنيع السيارات في الوقت الحالي، وتنعكس بشكل رئيسي في الجوانب التالية: يتعرض اللحام الفعلي لنطاق صغير متأثر بالحرارة وتشوه أقل. كما أن جودة ودقة اللحام عالية نسبياً، مما يضمن جمالية اللحام مع ضمان الجودة.

عملية اللحام المحددة مرنة وفعالة ويمكنها تلبية احتياجات المؤسسة. ضوضاء البناء منخفضة، ولها تأثير رائع في توفير الطاقة. إنه مناسب للحام المواد الهشة وذات القوة العالية ونقطة الانصهار العالية. انظر الجدول 1 للحصول على التفاصيل.

الجدول 1: مقارنة نقاط تقنيات اللحام المختلفة

• ملاحظة: 1-10 هي درجة التقييم، حيث يمثل الرقم 1 أدنى درجة و10 أعلى درجة.

ومع ذلك، فإن تقنية اللحام بالليزر لها أيضًا بعض أوجه القصور، على وجه التحديد: متطلبات عالية لمواضع اللحام، مع التركيز على نطاق متطلبات اللحام. غير مناسبة للمواد ذات السماكة الكبيرة.

يتأثر تأثير اللحام عند لحام المواد ذات الموصلية الحرارية العالية. تحد كفاءة تحويل الطاقة المنخفضة ووقت التصلب السريع لدرزة اللحام، إلى حد ما، من تأثير اللحام.

2. التطبيقات العملية لتكنولوجيا اللحام بالليزر

2.1 لحام اللحام بالتوصيل بالليزر

في مجال تكنولوجيا اللحام بالليزر، يشير اللحام بالتوصيل بالليزر إلى العملية التي يتم فيها دمج جزأين أو أكثر في كل موحد بعد الصهر والتبريد، مما يحقق لحامًا فعالاً. لا تتطلب هذه الطريقة إضافة التدفق، مما يوفر ميزة توفير التكلفة.

أثناء العملية، تحت تأثير شعاع الليزر، تصل درجة حرارة سطح الأجزاء المراد لحامها بسرعة إلى نقطة الغليان، مما يؤدي إلى تبخير المعدن وتكوين تجويف، كما هو موضح في الشكل 1.

يتوقف التجويف عن التعمق بمجرد أن يتوازن الضغط الارتدادي لبخار المعدن مع التوتر السطحي للمعدن السائل والجاذبية. يكتمل اللحام بمجرد إغلاق التجويف المستقر في العمق، مما يشير إلى اكتمال اللحام بالليزر العميق الاختراق.

في الوقت الحالي، في مجال تصنيع السيارات، يتم استخدام اللحام بالتوصيل بالليزر على نطاق واسع في تجميع الهيكل والتجميع ولحام المكونات. على سبيل المثال، تستخدم موديلات فولكس فاجن مثل باسات وتيغوان وجيتاس طريقة اللحام هذه في لحام الألواح الجانبية. وبالمثل، تستخدم بعض موديلات بيجو وستروين اللحام بالتوصيل بالليزر في لحام الأبواب.

وعلاوة على ذلك، استنادًا إلى أنواع طبقات اللحام، هناك تصنيفات مختلفة، بما في ذلك طبقات مستقيمة واحدة، ودرزات متعددة، ودرزات غير خطية. ونظرًا لبساطة إنتاج درزة لحام واحدة، فقد تم اعتمادها على نطاق واسع.

كانت شركة فولكس فاجن في ألمانيا رائدة في تطبيق اللحام بالليزر للهيكل الجانبي لهيكل طراز أودي في عام 1985، وتبعتها شركة تويوتا في اليابان في عام 1986 باللحام بالليزر السلكي للإطار الجانبي لهيكل السيارة.

بدأ تطبيق تكنولوجيا اللحام بالغرز بالليزر على نطاق واسع في أمريكا الشمالية في عام 1993، عندما هدفت الولايات المتحدة إلى تعزيز القدرة التنافسية للسيارات الأمريكية أمام السيارات اليابانية بمشروع 2 مم.

حتى الآن، اعتمدت جميع شركات تصنيع السيارات الشهيرة في جميع أنحاء العالم تقريبًا تقنية اللحام بالليزر على نطاق واسع، والتي تغطي المكونات الهيكلية مثل الإطارات الجانبية والألواح الداخلية للأبواب وإطارات الزجاج الأمامي وأغطية العجلات وألواح الأرضية والأعمدة المركزية.

كانت الولايات المتحدة من أوائل الدول التي أدخلت أشعة الليزر عالية الطاقة إلى صناعة السيارات، حيث توجد العشرات من محطات المعالجة بالليزر في منطقة ديترويت، مع التركيز على قطع الأجزاء المعدنية للسيارات ولحام التروس. وقد أدى هذا التقدم إلى تقليل الوقت المستغرق في إعادة تصميم السيارات من خمس سنوات إلى سنتين.

وقد طبقت شركة جنرال موتورز في الولايات المتحدة الأمريكية أكثر من عشرين خط إنتاج للمعالجة بالليزر، واستخدمت شركة فورد موتور ليزر Nd:YAG مع الروبوتات الصناعية للحام هياكل السيارات، مما أدى إلى خفض تكاليف التصنيع بشكل كبير.

وبحلول عام 2000، تم استبدال 50% من خطوط إنتاج اللحام النقطي بالمقاومة في شركات السيارات الأمريكية الثلاث الكبرى بخطوط لحام بالليزر.

في اليابان، حظي التطبيق الناجح للحام بالليزر على خطوط الإنتاج باهتمام عالمي، مثل الطريقة المبتكرة للحام صفائح الفولاذ الرقيقة بالليزر قبل تشكيلها بالضغط في أجزاء هيكل السيارات، والتي تحاكيها الآن معظم شركات تصنيع السيارات على مستوى العالم.

أنشأت العديد من شركات السيارات الشهيرة خطوط إنتاج متخصصة في اللحام بالليزر: خط لحام أرضية تجميع السيارات التابع لشركة Thyssen، وخط معالجة التروس بالليزر التابع لشركة فولكس فاجن وخط معالجة التروس بالليزر التابع لشركة مرسيدس بنز، التي قامت بتركيب معدات المعالجة بالليزر في 8 من أصل 18 مصنعًا.

2.2 لحام اللحام بأسلاك الليزر

في تقنية اللحام بالليزر، ينطوي مبدأ اللحام بالليزر بالتعبئة السلكية بالليزر على إضافة مادة لحام معينة في خط اللحام. يقوم شعاع الليزر بإذابة مادة اللحام المضافة، مما يشكل وصلة ملحومة.

بالمقارنة مع طرق اللحام التقليدية غير السلكية التقليدية، يوفر اللحام بالليزر السلكي مزايا كبيرة. فهو لا يوسع نطاق تطبيق اللحام بالليزر فحسب، بل يتيح أيضًا لحام الألواح السميكة بطاقة أقل، مما يحقق جودة لحام عالية.

من المهم ملاحظة أنه في اللحام بالتعبئة السلكية بالليزر، يجب صهر كل من سلك اللحام والمادة الأساسية. وهذا يخلق ثقوبًا صغيرة في المادة الأساسية، مما يسمح للسلك والمادة الأساسية بالاندماج الكامل وتشكيل حوض منصهر جديد مختلط.

تختلف هذه البركة المنصهرة المختلطة اختلافًا كبيرًا عن سلك اللحام والمادة الأساسية، مما قد يحسن بعض أوجه القصور في أداء المادة الأساسية. ويضمن استخدام سلك لحام بتركيبة مناسبة كمادة حشو أن يكون لسلك اللحام مقاومة عالية للتآكل ومقاومة التآكل.

2.3 اللحام الهجين بقوس الليزر والقوس الهجين

في اللحام بالليزر، يجمع مبدأ اللحام الهجين بقوس الليزر بين مصدر حرارة الليزر والقوس الكهربائي للعمل معًا على حوض واحد منصهر، وبالتالي تحقيق اللحام. وكما هو موضح في الشكل 2، تتميز طريقة اللحام هذه بالحد الأدنى من التشوه والسرعة العالية والقدرة الكبيرة على التكيف.

في إنتاج سلسلة سيارات أودي AG في ألمانيا، يتم استخدام اللحام الهجين بقوس الليزر في لحام هياكل السيارات المصنوعة بالكامل من الألومنيوم. وينتمي هذا الهيكل إلى الجيل الثاني من سلسلة أودي A8 الفاخرة، المصممة مع التركيز على السلامة من الصدمات ومقاومة التشوه الالتوائي. تفي طبقات اللحام الناتجة عن اللحام الهجين بقوس الليزر بجميع المتطلبات، حيث تُظهر صلابة وقوة عالية واندماجاً عميقاً.

لتلبية توقعات العملاء العالية لهذه السيارة، تم تصميم كل التفاصيل بدقة متناهية لضمان جودة التصنيع. تلبي طبقات اللحام الضيقة للحام الهجين بالليزر معايير المظهر العالية المطلوبة لقطع العمل، مما يلغي الحاجة إلى شرائط بلاستيكية لملء الزوايا في الجزء العلوي من هيكل السيارة.

في تصنيع السيارات خفيفة الوزن، يجب استيفاء جميع المتطلبات المذكورة أعلاه، بالإضافة إلى بعض الشروط الخاصة، كما أن عملية إنتاج هيكل السيارة المصنوع بالكامل من الألومنيوم لها متطلبات أكثر صرامة.

2.4 اللحام بالليزر عن بُعد بالليزر

في تكنولوجيا اللحام بالليزر، يسمح اللحام عن بعد بالليزر بالمعالجة عن بُعد بمساعدة رؤوس جلفانومتر المسح الضوئي عالية السرعة، وإجراء اللحام بأشعة الليزر ذات القوى المختلفة على الأجزاء.

ونظرًا لمزاياه التكنولوجية الفريدة، فإنه يُستخدم على نطاق واسع في اللحام البانورامي لفتحات السقف البانورامية لسيارات مرسيدس-بنز واللحام الجانبي لسيارات فولكس فاجن وأودي. وفي الوقت الحالي، عند تطبيق اللحام عن بُعد بالليزر في تصنيع السيارات، فإنه يوفر المزايا التالية:

(1) دقة عالية في تحديد المواقع، مما يتيح اللحام السريع لتلبية احتياجات التصنيع لشركات السيارات.

(2) القدرة على الجمع بين نقاط القوة الهيكلية المختلفة للحام، وتلبية احتياجات مختلف أشكال درزات اللحام.

يتطلب اللحام عن بُعد بالليزر مواد ومعدات عالية الجودة. مع المكونات الأكثر سمكًا، لا يمكن تقليل عمق خط اللحام مما يؤدي إلى انخفاض قوة القص عند اللحام.

2.5 اللحام بالنحاس الليزري

في تقنية اللحام بالليزر، يوفر اللحام بالنحاس النحاسي بالليزر مزايا مثل الأشكال الجمالية المبهجة والإحكام القوي، إلى جانب قوة اللحام العالية. ينطوي المبدأ الأساسي على تركيز شعاع ليزر على سطح سلك الحشو وصهره ثم تعبئته في منطقة اللحام لإتمام عملية اللحام بالنحاس.

على الرغم من أنها تشبه اللحام بالانصهار، فإن المادة الأساسية لا تنصهر في هذه الطريقة. وبالتالي، يجب أن تكون درجة انصهار مادة اللحام بالنحاس أقل من المادة الأساسية، مما يسمح باللحام الفعال من خلال مادة اللحام بالنحاس السائل، كما هو موضح في الشكل 3.

ويُستخدم اللحام بالنحاس النحاسي بالليزر حالياً في لحام أغطية صندوق السيارة في سيارات فولكس فاجن وهايما وشيري وأودي. كما يتم استخدامه بشكل متكرر في وصلات السقف والإطار الجانبي لعلامات تجارية مثل كاديلاك وبورش وفورد وفولكس واجن.

عند استخدام هذه التقنية، من الأهمية بمكان مراعاة تأثير العوامل المختلفة على عملية اللحام، وخاصة معلمات العملية مثل سرعة اللحام وقوة الليزر وقطر الحزمة. يجب تعديل هذه المعلمات وتصميمها وفقًا لمتطلبات اللحام المحددة لضمان فعالية اللحام بالليزر بالنحاس النحاسي.

عادةً ما تدمج معدات اللحام النحاسي بالليزر عدسة معالجة اللحام بالنحاس في ذراع روبوتية. يتم تركيز شعاع الليزر على مفصل الصفائح وصهر سلك الحشو (مثل سلك النحاس والسيليكون) لربط الأجزاء. ويكمن نجاح هذه الطريقة في تحقيق قوة مفصل قريبة من قوة اللحام، وتشتهر لحاماتها بجمالها.

تشتهر اللحامات التي يتم إنتاجها عن طريق اللحام بالليزر بالنحاس بخصائصها العالية في الإغلاق ومظهرها السلس والنظيف مما يجعل إعادة العمل غير ضرورية تقريباً. فعلى سبيل المثال، يمكن طلاء هياكل المركبات مباشرةً بعد التنظيف.

تحظى ليزرات الصمام الثنائي الليزري Laserline بتقدير كبير في جميع أنحاء العالم بسبب عمليتها في مجال اللحام بالليزر. وقد تم استخدام أكثر من 800 ليزر الصمام الثنائي الليزري LDF بنجاح للاستخدام طويل الأجل في تطبيقات تجميع هياكل السيارات على مستوى العالم. لا يتطلب اللحام النحاسي بالليزر عالي الجودة بالليزر قوة لحام عالية وأقل تأثير للحرارة فحسب، بل يتطلب أيضًا مظهرًا جماليًا لوصلات اللحام.

تتمثل إحدى مزايا المعالجة المهمة لأشباه الموصلات الليزرية في ثبات تجمع الذوبان الذي تنتجه. وعلاوة على ذلك، أظهرت الوحدة ثلاثية الأشعة التي طورتها شركة Laserline مزايا أكبر في تطبيقات اللحام بالنحاس، مما يضمن وصلات لحام عالية الجودة دون تقليل سرعة اللحام، حتى عند لحام المواد الصعبة مثل ألواح الصلب المجلفن بالغمس الساخن.

في إنتاج هياكل السيارات، أصبح اللحام بالنحاس بالليزر بالفعل طريقة معالجة سائدة.

ومع ذلك، فقد أدى الاستخدام المتزايد لمواد ألواح الصلب المجلفن إلى ظهور بعض التحديات، مثل زيادة تناثر الجسيمات أثناء اللحام بالنحاس والتموج عند وصلة اللحام، مما يستلزم تقليل سرعة المعالجة لتجنب هذه المشكلات.

طورت شركة Laserline حلاً مبتكرًا: استخدام وحدة متعددة الحزم، مع وضع الحزم الجانبية أمام الحزمة الرئيسية، لإزالة الطبقة المجلفنة حول خط اللحام أولاً، وبالتالي ضمان عملية لحام بالنحاس بسلاسة دون الحاجة إلى تقليل سرعة اللحام بالنحاس. وقد لاقت هذه التقنية استحسانًا كبيرًا في الصناعة.

يستخدم اللحام التقليدي للصفائح الفولاذية المجلفنة بالليزر بالليزر الصمام الثنائي الصمام الثنائي تكنولوجيا الحزمة الواحدة، مع دمج مصدر الليزر في روبوت اللحام بالنحاس. وبفضل ثبات حوض الذوبان الذي ينتجه ليزر الصمام الثنائي، يمكن استخدام التكسية بالليزر بالفضة أو النحاس الأصفر كمادة أساسية.

اللحامات مبهجة من الناحية الجمالية وذات جودة عالية. أجرت شركة فولكس فاجن توران ذات مرة مقارنة تجريبية بين ليزر YAG بقدرة 4 كيلوواط وليزر الصمام الثنائي الصمام الثنائي بقدرة 6 كيلوواط للحام بالنحاس في فولفسبورغ بألمانيا. وتم التأكد من الاستقرار التشغيلي لليزر الصمام الثنائي LDF في الإنتاج الضخم.

الخاتمة

بالنسبة لصناعة تصنيع السيارات، تقدم تقنيات اللحام بالليزر المختلفة قيمًا متفاوتة للاستخدام.

يمكن أن يؤدي اختيار طريقة اللحام المناسبة لأجزاء مختلفة من السيارة إلى تحسين الجودة الشاملة لتصنيع السيارات وتلبية احتياجات شركات السيارات من حيث تكاليف اللحام وكفاءته.

من خلال تحليل مبادئ ومزايا وعيوب تقنيات اللحام بالليزر، تستكشف هذه المقالة الآثار التطبيقية للحام الانصهار الذاتي بالليزر، ولحام تعبئة الأسلاك بالليزر، واللحام المركب بقوس الليزر، واللحام بالليزر عن بعد، واللحام بالنحاس بالليزر في صناعة السيارات.

وهو يوفر خبرة في مجال اللحام لصناعة السيارات، ويهدف إلى تحسين مستوى اللحام في شركات السيارات، ويعزز التنمية الصحية والمستدامة لصناعة السيارات.